Сглобяеми стоманени конструкции

Сглобяемите стоманени конструкции са една от най-използваните конструктивни системи и това не е случайно. Те предоставят множество предимства както за инвеститорите, така и за строителите, а в последствие - и за обитателите. Благодарение на изключителните качества на стоманата и достойнствата на сглобяемото проектиране и производство, стоманените конструкции са универсална система за почти всяка функционална схема.

От „Гнездото” в Пекин до новия многофункционален център на Лас Вегас - много от съвременните сгради-икони са с предварително проектирана стоманена конструкция. Този метод се прилага изключително успешно при индустриални сгради и халета, офис сгради, логистични центрове, стадиони. Стоманените конструкции навлизат сериозно дори и при жилищните сгради - област, която дълго време беше обентована земя за този тип строителство.

Предимства
Предимствата на сглобяемите стоманени системи са наистина много. Някой от най-съществените са изключителните качества на стоманата като строителен материал, свеждането до минимум на необходимите операции по монтирането на обекта, свободата при проектиране, икономическата ефективност и не на последно място - позитивният екологичен ефект.

Стоманата е материал, познат с високата си якост на опън. Тя позволява премостването на големи разстояния, което е от жизнена важност при сгради с големи междуосови разстояния като индустриални и селскостопански халета, логистични центрове, хипермаркети и др. Освен издържливи, стоманените профили са и стройни - при гредите съотношението между носещото сечение и премостваното разстояние е не по-голямо от 1/12. Това има утилитарно и естетическо значение - увеличава се използваемата площ, като едновременно с това се постига елегантен силует на конструкцията и се избягва честото прекъсване на обемите с конструктивни елементи. Увеличената използваема площ и големите оси позволяват и по-щедро естествено осветление, в сравнение с много други системи в строителството. Основните рискове при стоманените конструкции са два - корозията и загубата на якост при температура над 500°C. Мерките против тях са свързани с антикорозионни и противопожарни покрития - бои, облицовки от гипсови плоскости/гипсокартон или бетониране (при колоните).

Предварително проектирани и произведени са повечето от съвременните търговски и офис сгради с изцяло стоманена конструкция. Производството в контролирана среда и от професионалисти свежда до минимум възможните неточности. Стоманените профили се предават на обекта като предварително щанцовани, перфорирани на необходимите места и заварени от производителя елементи. Това увеличава бързината на монтаж, като същевременно намалява значително извършваните на обекта операции по монтажа. Заедно с това се намалява и необходимата работна сила, като се повишава и безопасността на труда. Не без значение е и скъсеният срок за въвеждане в експлоатация, в следствие от бързия монтаж и свеждането до минимум на мокрите процеси.

Екологичните предимства на сглобяемите стоманени конструкции се дължат на универсалността на материала и характера на производство. Според Международния институт за желязо и стомана, 84% от използваните в строителството стоманени елементи се рециклират, а 10% се влагат директно в нови структури, което прави стоманата може би най-рециклирания материал в бранша. Стоманените конструкции се поддържат лесно и с подходящите стенни и покривни покрития са с висока енергийна ефективност. Елементите с изключително фабрична обработка намаляват драстично строителните отпадъци на обекта - над 40% от общото замърсяване в следствие от строителството. Лекото тегло на конструктивните елементи ограничават транспортните и инсталационни разходи, а редуцирането на използвания транспорт също спомага за намаляване на замърсяването.

Архитектура
В архитектурно отношение предварително проектираните елементи предоставят удачно решение според поставените за проекта цели. Повечето компании в сектора предлагат както проектиране, така и ръководство или изпълнение на строителството, в зависимост от желанието на инвеститора.

Стандартизираните системи се разработват производителите за да улеснят бързото изграждане на съответните стандартизирани решения. Това е идеална възможност за инвеститори, търсещи бързо, икономически изгодно строителство. Обикновено, системите включват модулно изграждане на обектите, което позволява много лесно разширяване при необходимост. Единственото, което е необходимо за целта, е да се отстрани стенното покритие и да се продължи схемата на системата. Модулността улеснява и подобрява скоростта на производство, тъй като намалява видовете спецификации на елементите в обекта.

Трябва да се подчертае, че използването на стандартизирани елементи не води задължително до стандартизирани сгради. Всъщност, с едни и същи елементи може да се постигне огромно разнообразие на архитектурния облик, според начина по който се използват. Стоманените конструкции могат да бъдат оставени видими, като формират изявен растер в обема на сградата. Често стоманената естетика е подчертана и с характерно оцветяване на конструкцията, което може да се съчетае и със задължителната защита на откритата стомана с противопожарна боя. Още по-голямо разнообразие може да се постигне чрез композиране на осветителните отвори и формиране на декоративни обеми. Разнообразие предоставят и различните системи за изолация и покриване на конструкцията - облицовки, окачени фасади, панели и др.

Индивидуалните решения могат да се изпълнят със стандартизирани елементи или със специално изработени за конкретния проект профили. Предварително проектираните елементи са най-добрият, а понякога и единствен вариант за изпълнение на сложни пространствени форми. В тези случаи, елементите се програмират от 3D софтуер, който подава информация за формата и размерите им директно към производствения процес. Благодарение на развитието на технологиите могат да се произведат уникални елементи - всеки със строго определено място в структурата, така че да се създаде непостижима преди сложност на обемите. Много от производителите прилагат 3D софтуер и при стандартните системи, за изчисляване на товарите и оптимизиране на сеченията. Това води до спестяване на материал, а от там и на разходи за инвеститора.

Естетическите качества на сглобяемите стоманени конструкции са без съмнение впечатляващи. От една страна стоманеният скелет предоставя неограничени възможности за комплексни форми, различна плътност, текстури, цветове. От друга, производителите на панели предлагат необхватно многообразие от материали и профили на завършващото интериорно и екстериорно покритие, с които може да се постигнат цялата гама на внушения - индустриалната стоманена естетика, изисканият бутиков облик на търговските и офис центрове, топлотата на дома.

Конструкция
Сглобяемите метални конструкции се изграждат най-вече върху стоманобетонни основи и се състоят от три основни групи - носеща конструкция, покривна и стенна система. Съществуват структури, при които две или три от системите са обединени в едно - примери за такива сгради са изградените от стоманени арки и единна покривна система, както и изцяло съставените от носещи стоманени сектори форми, прилагани при сравнително по-малки подпорни разстояния, най-често в селскостопанските сгради.

Носещата конструкция на стоманените сглобяеми сгради може да се структурира в два основни типа - скелетна или от цели сектори.

Скелетната стоманена конструкция е основният инструмент на високото и широкоплощното строителство. Тя се прилага все по-често и при сглобяемото жилищно строителство, като се предпочита пред дървения скелет поради стройната си съвременна естетика и повишените здравина, качество на детайла и устойчивост във времето. Стоманеният скелет има голяма коравина и позволява премостването на значителни разстояния без подпорни елементи. Разполагането на колони пък позволява покриване на практически неограничена във всички посоки площ.

Основни елементи на стоманения скелет са колоните и носещите греди или ферми - сложни пространствени греди или структури, в които стоманените профили конструират решетка и работят като един елемент. Отделните профили са най-често със затворено (правоъгълно за основните и кръгло за пълнежните пръти), L (ъглово) или Н-образно сечение (при колоните и хоризонталните профили) и се свързват помежду си чрез заварки и болтове - обикновени или високоякостни. В типичната индустриална еднопространствена стоманена конструкция, колоните се разполагат обикновено през стандартно междуосово разстояние от 6м. Предизвикателство за конструкцията е междуосието по ширина на сградата, от него зависи сечението на елементите и сложността на конструкцията. Най-често, поставените една срещу друга колони се свързват в корава рамка от легнали върху тях стоманени профили, съставни греди с различно сечение, дву- или триизмерни стоманени ферми. Последните са най-устойчиви в пространствено отношение, тъй като натоварванията се разпределят към основите по множество елементи, които работят като едно цяло. Така формираните рамки се осигуряват срещу напречни усилия чрез стоманени столици. При конструкция с хоризонтални главни греди, укрепването става с второстепенни греди, поставени напречно на главните.

В двете крайни оси на сградата се влагат т.нар. хикс (Х) връзки. Те представляват вертикално разположени по двата диагонала на междуосията профили, които укрепват конструкцията срещу товари, предизвикани от силен вятър или земетресение. При деформация, правоъгълното поле се стреми да премине в успоредник, а диагоналът срещу тъпия ъгъл на успоредника го възпира, като поема най-подходящите за стоманата усилия - на опън. Диагоналите са два, за да осигурят укрепване и в двете посоки на възможните хоризонтални усилия. Във високите сгради, облечени със стъклени окачени фасади, често е неудобно да се създадат подобни укрепващи връзки по чисто архитектурни причини. Този проблем може да се реши по два начина - или чрез създаване на фасадни мега-ферми с профил от една или няколко етажни височини, или чрез използване на комуникационните ядра като укрепващи елементи. В тези случаи изпълняването на хикс връзки в крайните хоризонтални междуосия също спомага за устойчивостта на хоризонтални товари.

Структурите със сглобяеми сектори, за разлика от тези със скелетни стоманени конструкции, могат да се развиват единствено по дължина чрез добавяне на нови сектори. Елементите със стандартна широчина 60см. се свързват помежду си чрез болтове, а към основата - чрез закладки в стоманобетонния фундамент. При тях трите системи на сглобяемите стоманени сгради са обединени в една, което улеснява строителството и намалява разхода на материал, а от там и общата стойност на строителството. Премостваното по широчина разстояние е ограничено и зависи от профила на подпорния обем. Най-голямо разстояние може да се прехвърли от сегменти с профил, близък то полукръг - до около 45м. по данни на производителите.Този тип конструкция е използвана за пръв път от американската армия през Втората световна война като лека система за универсално приложение.

Сходни са размерите на разстоянието, премоствано от полукръгли сегменти върху вертикални подпори - стоманени колони, стоманобетон и др. Повечето от другите често срещани профили позволяват покриването на максимум от 30 метра. Предимства на тези системи са лесното транспортиране и монтаж, които спестяват технологично време и разходи - според фирмите-производители, до 80% от инвеститорите избират да ги монтират без участието на професионални строители. Основният недостатък на сегментната стоманена конструкция е скосяването в края на пространството, което формира неизползваема площ - проблем, който отпада при системите с вертикални подпори. Друг минус е необходимостта от послоен монтаж, когато се налага влагането на изолация. Затова, тези системи са подходящи по-скоро за неотопляеми пространства, навеси, гаражи и т.н.

Покривните и стенни ситеми в стоманеното сглобяемо строителство са сходни. Най-често се прилага някой от двата вида системи - послоен монтаж с изолация между два слоя профилирани ламарини, оформени като листове, касети или ламели и облицоване със стенни панели.

Послойният монтаж се извършва на три етапа - полагане на външния слой от профилирана ламарина, която може да бъде и с цветно полимерно покритие, запълване с топлоизолация и затваряне с нископрофилирана ламарина или гипсокартон. Вълните на носещата стенната или покривна ламарина се разполагат успоредно на ригелите, така че да работят като своеобразни второстепенни греди. Ето защо, при покривните системи се предпочита високопрофилна ламарина (височина на вълната до 150-160мм при отвор 6м), докато при стенните могат да се използват и по-нископрофилни елементи, като при избора на профили се има предвид и естетическия им аспект. След първия пласт се полага и изолацията, която може да бъде фабрично обгърната с пароизолационно фолио или да се кашира на обекта. Дебелината на изолационния слой варира, като оптимална за българските условия е вата с дебелина от най-малко 10см. Вместо към вътрешен ламаринен слой, изолацията може да се монтира и към система от напречни профили-водачи.Тази система може да се покрие в интериор с окачване на леки конструкции като гипсокартон към носещата конструкция. Гофрираните ламарини отговарят на предизвикателствата, които поставя съвременната архитектура, чрез многообразие от полукръгли и дъговидно-формовани касети, мрежести полупрозрачни елементи и неограничена палитра от цветове на покритията.

Системите от ограждащи и покривни сандвич-панели навлязоха предоставят редица предимства - бързина на строителството, повишена якост, по-високо качество поради изработката им в изцяло контролирана фабрична среда, по-добре изолирани връзки между елементите и съответно повишена енергийна ефективност. Намаляват се и разходите за носещи елементи, тъй като панелите могат да заместят столиците или водещите стенни профили.

Сандвич-панелите са самоносещи се конструктивни елементи, които представляват изолационен слой от полиуретан или минерална вата, обгърнат от двете си страни от профилирана ламарина с дебелина 0,4-0,6мм. Размерите на панелите са стандартно 1м. напречно на вълните и до 20м. успоредно на тях, в зависимост от производителя. Общата дебелина на панела варира между 40мм. за преградни стени до 200мм. при хладилните камери и помещения. Според производителите, за достигане на оптимален коефициент на топропрреминаване от 0,3W/m2 K е достатъчна дебелина на изолацията от 80мм за полиеуретанов панел и 100мм - за такъв с каменна вата. В зависимост от начина на свързване между панелите, могат да бъдат с открит (връзка зъб-жлеб) или закрит монтаж (връзка двоен зъб - жлеб), като при хладилни помещения се прилагат и влагонепропускливи връзки с триплексни фуги. Предлагат се и противопожарни панели с коефициент на термично съпротивление достигащ 4,5m2K/W при дебелина на панела 200мм.

Естественото осветление е довършителният щрих на предварително проектираните стоманените конструкции. В съвременните конструктивни системи, то се постига с изцяло прозрачни или с вградена дограма елементи, оразмерени в синхрон с останалите в конструкцията. Част от сандвич-панелите или ламаринените касети могат да се заменят с многослойни поликарбонатни плоскости, рифеловани по същия начин и със съответните връзки към съседните елементи. Осветителни сегменти могат да се полагат и при дъговите стоманени конструкции.